基于FPGA的DDR3多端口读写存储管理的设计与实现

摘要：为了解决视频图形显示系统中多个端口访问DDR3的数据存储冲突，设计并实现了基于FPGA的DDR3存储管理系统。DDR3存储器控制模块使用MIG生成DDR3控制器，只需通过用户接口信号就能完成DDR3读写操作。DDR3用户接口仲裁控制模块将中断请求分成多个子请求，实现视频中断和图形中断的并行处理。帧地址控制模块确保当前输出帧输出的是最新写满的帧。结果表明，设计的DDR3存储管理系统简化了多端口读写DDR3的复杂度，提高并行处理的速度。

引言
机载视频图形显示系统主要实现2D图形的绘制，构成各种飞行参数画面，同时叠加实时的外景视频。由于FPGA具有强大逻辑资源、丰富IP核等优点，基于FPGA的嵌入式系统架构[1]是机载视频图形显示系统理想的架构选择。视频处理和图形生成需要存储海量数据，FPGA内部的存储资源无法满足存储需求，因此需要配置外部存储器。

与DDR2 SDRAM相比，DDR3 SDRAM带宽更好高、传输速率更快且更省电[2][3]，能够满足吞吐量大、功耗低的需求，因此选择DDR3 SDRAM作为机载视频图形显示系统的外部存储器。

本文以Xilinx公司的Kintex-7系列XC7K410T FPGA芯片和两片Micron公司的MT41J128M16 DDR3 SDRAM芯片为硬件平台，设计并实现了基于FPGA的视频图形显示系统的DDR3多端口存储管理。

1 总体架构设计

机载视频图形显示系统中，为了实现多端口对DDR3的读写访问，设计的DDR3存储管理系统如图 1所示。主要包括DDR3存储器控制模块、DDR3用户接口仲裁控制模块和帧地址控制模块。

图 1 DDR3存储管理系统设计框图

DDR3存储器控制模块采用Xilinx公司的MIG[4](Memory Interface Generator)方案，通过用户接口建立FPGA内部控制逻辑到DDR3的连接，用户不需要管理DDR3初始化、寄存器配置等复杂的控制逻辑，只需要控制用户接口的读写操作。

DDR3用户接口仲裁控制模块将每一个数据读写请求设置成中断，借鉴中断处理思想来进行仲裁控制，从而解决数据存储的冲突。

帧地址控制模块控制帧地址的切换。为了提高并行处理的速度，简化数据读写冲突，将图形数据和视频数据分别存储在不同的DDR3中。

2 DDR3存储器控制模块设计

MIG生成的DDR3控制器的逻辑框图[5]如图 2所示，只需要通过用户接口信号就能完成DDR3读写操作，大大简化了DDR3的设计复杂度。

图 2 DDR3控制器的逻辑框图

2.1 DDR3控制模块用户接口写操作设计
DDR3存储器控制模块用户接口写操作有两套系统，一套是地址系统，一套是数据系统。用户接口写操作信号说明如表 1所示。

 

地址系统的内容是app_addr和app_cmd，两者对齐绑定，app_cmd为000时为写命令，当app_rdy（DDR3控制）和app_en（用户控制）同时拉高时，将app_addr和app_cmd写到相应FIFO中。数据系统的内容是app_wdf_data，它在app_wdf_rdy（DDR3控制）和app_wdf_wren（用户控制）同时拉高时，将写数据存到写FIFO。

为了简化设计，本文设计的用户接口写操作时序如图 3所示，使两套系统在时序上完全对齐。

图 3 DDR3写操作时序图（突发长度BL=8）

2.2 DDR3控制模块用户接口读操作设计
用户接口读操作也分为地址系统和数据系统。用户接口读操作信号说明如表 2所示。

地址系统与写操作相同，在时钟上升沿且app_rdy为高电平时，用户端口同时发出读命令（app_cmd=001）和读地址，并将app_en拉高，将读命令和地址写到FIFO中。对于数据系统，当app_rd_data_valid有效，则读数据有效，读回的数据顺序与地址/控制总线请求命令的顺序相同。

读操作地址系统和数据系统一般是不对齐的，因为地址系统发送到DDR3后，DDR3需要一定的反应时间，读操作时序如图 4所示。

图 4 DDR3读操作时序图（突发长度BL=8）